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WO 2011/061678 1 PCT/1B2010/055191
Dispositif d'usinage axial
La présente invention concerne les dispositifs d'usinage axial, tel que
perçage,
alésage et fraisage, et plus particulièrement ceux de faible encombrement
intégrant un
mouvement d'avance et de plongée de l'outil, par exemple du foret.
La demande FR 2 881 366 au nom de SETI TEC décrit un dispositif de perçage
comportant un pignon d'entraînement pour entraîner en rotation une broche
porte foret et
un pignon d'avance relié à la broche porte foret par une liaison filetée.
Un dispositif similaire est reproduit à la figure 1. Sur cette figure, les
références numériques sont les mêmes que celles utilisées par la suite, pour
désigner des
pièces constitutives identiques ou similaires.
On connaît par ailleurs des dispositifs de perçage vibratoire par les
publications
WO 2008/000935 Al, DE 10 2005 002 462 B4, US 7 510 024 B2, FR 2 907 695 et US
2007/209813.
L'assistance vibratoire permet de fragmenter les copeaux et d'augmenter la
qualité des perçages en supprimant le risque de bourrage, d'accroitre la durée
de vie des
outils et de fiabiliser le procédé.
Dans les publications FR 2 907 695, US 7 510 024 et US 2007/209813, les
oscillations sont générées par des cames sans organes de roulement. Il en
résulte un
frottement au niveau de la came, qui génère un échauffement et du bruit. En
outre, la
fréquence vibratoire optimale pour la fragmentation correcte-du copeau n'est
pas toujours
obtenue du fait que cette fréquence est un multiple entier du différentiel de
la vitesse de
rotation du pignon d'avance par rapport à la broche ou par rapport au bâti,
directement lié
au nombre d'oscillations de la came.
Dans le brevet DE 10 2005/002462, un ressort exerce une force de rappel sur
un roulement comportant une surface ondulée, dans une direction d'avance du
foret, afin
de produire des vibrations axiales. En cas de pression axiale élevée du foret,
les organes de
roulement peuvent cesser de rouler sur la surface ondulée, et le foret cesse
d'osciller. Pour
éviter cet inconvénient, le ressort doit présenter une raideur importante, ce
qui peut amener
à surdimensionner le roulement. Il en résulte un coût et un encombrement plus
important.
De plus, le dispositif est rapporté en bout de broche, sous le système
d'avance,
ce qui ajoute à l'encombrement et amène une complexité accrue.
PR92152 EXT PCP0C I ,MAJEJ
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Il existe un besoin pour perfectionner encore les dispositifs de perçage,
notamment ceux destinés à l'usinage de pièces aéronautiques de grandes
dimensions, telles
que par exemple des parties de fuselage ou d'ailes.
L'invention a ainsi pour objet un dispositif d'usinage axial comportant une
broche porte outil, tournant à l'intérieur d'un bâti, ce dernier logeant un
système de
transmission provoquant l'avance automatique de la broche relativement au bâti
sous l'effet
de l'entrainement en rotation de la broche porte outil, ce système de
transmission comportant
un pignon d'avance vissé sur la broche.
Le dispositif comporte un organe de rappel élastique sollicitant le pignon
d'avance dans une première direction axiale, de préférence contraire à la
direction d'avance
(i.e. son mouvement pendant l'usinage) de la broche. Le dispositif comporte un
premier
roulement comportant des organes de roulement roulant sur une surface de
roulement
ondulée avec une composante axiale d'ondulation, de façon à solliciter
périodiquement en
déplacement le pignon d'avance dans une deuxième direction opposée à la
première, de telle
sorte que la rotation de la broche s'accompagne d'un mouvement vibratoire
axial.
Le dispositif selon l'invention présente un encombrement réduit, grâce à
l'intégration des moyens de création du mouvement vibratoire à l'intérieur du
bâti. Les
frottements sont également largement réduits du fait des organes de roulement.
De plus, l'invention peut permettre de générer des vibrations axiales à une
fréquence liée à la vitesse de rotation du pignon de rotation, ce qui peut
permettre de garder
constant le nombre d'oscillations par tour indépendamment des réglages de
l'avance. Dans une
variante de l'invention, où le premier roulement est en appui direct sur le
pignon d'avance et où
la fréquence de vibration axiale est alors directement liée à la vitesse de
rotation du pignon
d'avance et non plus à celle de la broche porte outil, ce dernier avantage est
perdu, mais
d'autres avantages demeurent.
L'invention a également pour objet un dispositif d'usinage axial, comportant
une
broche porte outil tournant à l'intérieur d'un bâti, ce dernier logeant un
système de
transmission provoquant l'avance automatique de la broche porte outil
relativement au bâti
sous l'effet de l'entrainement en rotation de la broche porte outil, ce
système de transmission
comportant un pignon d'avance vissé sur la broche porte outil, le dispositif
d'usinage axial
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comportant un organe de rappel élastique sollicitant le pignon d'avance dans
une première
direction axiale, contraire à la direction d'avance de la broche porte outil,
et par le fait qu'il
comporte un premier roulement comportant des organes de roulement roulant sur
une
surface de roulement ondulée avec une composante axiale, de façon à solliciter
périodiquement en déplacement le pignon d'avance dans une deuxième direction
opposée à
la première, de telle sorte que la rotation de la broche porte outil
s'accompagne d'un
mouvement vibratoire axial.
Il est avantageux que l'organe de rappel sollicite le pignon d'avance dans une
direction contraire à la direction d'avance de la broche. Cela permet en effet
d'utiliser le
premier roulement pour exercer un effort axial dans la direction d'avance de
la broche. Ainsi,
même en cas de surcharge axiale du foret, celui-ci reste soumis à un mouvement
vibratoire.
De plus, ni l'organe de rappel ni le premier roulement n'a à être
surdimensionné. Le
dispositif reste ainsi facilement intégrable â un bâti contenant le système de
transmission et
d'avance de la broche.
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Le premier roulement comporte avantageusement des rouleaux, lesquels
peuvent supporter des efforts supérieurs à des billes.
La surface ondulée se comporte avec les organes de roulement comme un train
épicycloïdal qui agit comme un réducteur et démultiplie le nombre
d'oscillations par tour.
Le premier roulement a ainsi la double fonction de réduire les frottements et
de réduire par
train épicycloïdal le mouvement vibratoire.
La surface ondulée peut être configurée pour produire un nombre non entier,
voire non rationnel, de périodes vibratoires par révolution de la broche porte
outil. Le
nombre de périodes vibratoires par révolution de la broche porte outil est par
exemple
compris entre 1 et 3, bornes exclues, étant notamment égal à environ 1,5 ou
2,5. La surface
de roulement ondulée peut comporter un nombre impair d'ondulations, par
exemple
sinusoïdales, par révolution. Par exemple, trois ondulations sur la surface
ondulée peuvent
générer compte tenu de la rotation des roulements, environ 11/4 oscillation
par tour de
broche, Un nombre non entier permet d'éviter une trajectoire parallèle des
arêtes de coupe
lors du perçage, et accroît l'efficacité de fragmentation des copeaux.
De préférence, la surface ondulée produit un nombre non entier et non
rationnel de périodes vibratoires par révolution de la broche porte outil.
Le premier roulement peut comporter une bague plate et une bague ondulée,
entre lesquels tournent les organes de roulement, ces bagues pouvant être
fixes ou mobiles
dans le dispositif. La bague ondulée définit la surface ondulée.
Le nombre d'organes de roulement entre la bague plate et la bague ondulée est
égal au nombre d'ondulations de la bague ondulée.
Du fait qu'une des bagues est ondulée, la trajectoire des organes de roulement
sur cette bague n'est pas un cercle 2D mais une sinusoïde 3D. Ainsi, la
longueur des
trajectoires sur une bague plate ou ondulée est différente, même si les
diamètres des bagues
sont égaux.
La formule de Willis peut être appliquée à l'invention. La trajectoire du
point
courant sur la bague ondulée peut s'écrire ainsi :
A
0 M= Ri . -. sin(N. 0)
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où R1 est le rayon de la trajectoire sur la bague, 0 l'angle formé par le
point courant, N le
nombre d'ondulations et A leur amplitude.
En dérivant cette équation, l'équation suivante est obtenue :
A
dOM --z O. + Ri . ci9 . 60 ¨ - - . N . cps(N . 0) . d0 . Fi
'2 '
La norme de cette équation permet d'obtenir la dérivée de l'abscisse
curviligne,
c'est-à-dire la longueur de la trajectoire si de la bague ondulée :
(A
----- / R12 + 1 ¨ , N , cos(,W . 0)) (10
L'intégration de la précédente équation conduit au calcul de l'abscisse
curviligne si :
27t 1 . 2 2mM iRki)2 (A _ . 2
si =`. f \ I I [R.I2 (- .1-1 N. co s( N. ())) 1 dO ---:-: fo i ¨TA + -
2-. Los (p) cirp
û , 2
.\i .
1
. -12
2 2 (
. (R 1\2 (A ' r¨Ils.,\
sre-- 4*-2. ) '.1
\I
0 Il A ,
7 . sin cp
L Ni(¨R1)2 + (41)- -clq.)
N
Ni -
( A
\
( R1 2 A 2 7
si ¨ 1(----) +(---) ____________ . E 27 r, N ,
N 2
\
\\ \ iN
i(R1) 2
2 + (,......A)2 i
l'intégrale précédente étant l'intégrale elliptique incomplète du deuxième
type.
Sur la bague plate, la longueur de la trajectoire s2 peut s'écrire comme un
. simple périmètre de cercle :
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2rr
S2 R2µ R2
o
où R2 est le diamètre de la bague.
Les réductions ri et r2 du train épicycloïdal avec, respectivement, des bagues
5 mobiles ou fixes, peuvent s'écrire :
si s2
S1 S2
Ce calcul fait intervenir de nombreux paramètres et par sa nature, induit un
nombre d'oscillations par tour non rationnel, comme indiqué dans les exemples
ci-dessous.
En prenant des rayons égaux pour les bagues plates et ondulées, soit R1 = R2 =-
mm, N = 3 pour le nombre d'ondulations, et A = 0,5 mm pour leur amplitude, les
réductions du train épicycloïdal sont égales de façon approchée à ri =
0,500351 et r2 =
0,499649, ce qui donne 1,50105 périodes vibratoires par révolution de la
broche dans le
cas d'une bague ondulée fixe, et 1,49895 périodes vibratoires par révolution
de la broche
15 dans le cas d'une bague plate fixe.
Avec des valeurs de rayon différentes, soit Ri = 22 mm et R2 = 20 mm, et A =
0,1 mm avec le même nombre d'ondulations, les réductions du train épicycloïdal
sont
égales de façon approchée à ri = 0,523821 et r2 = 0,476179, ce qui dorme
1,57146
périodes vibratoires par révolution de la broche dans le cas d'une bague
ondulée fixe, et
20 1,42854 périodes vibratoires par révolution de la broche dans le cas
d'une bague plate fixe.
Un nombre non rationnel d'oscillations par tour de la broche permet d'éviter
les
risques de vibrations autoentretenues et de broutement.
Il est particulièrement avantageux d'avoir un nombre non entier et non
rationnel d'oscillations par tour, notamment en cas d'utilisation du
dispositif pour réaliser
des opérations de fraisurage et de chambrage. En effet, un nombre non
rationnel
d'oscillations par tour permet d'éviter un défaut de forme à la fin de
l'opération, notamment
dans le cas où une temporisation en fin de course de quelques secondes a lieu,
pendant
laquelle l'avance est nulle. Si l'avance est stoppée en tin de course pour un
nombre défini
de tours, dans le cas d'un nombre non entier et non rationnel d'oscillations
par tour, la
surface obtenue, conique ou plane par exemple, n'est soumise à aucune
oscillation localisée
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de façon permanente au même emplacement, et elle présente un défaut de forme
acceptable. Le sommet de chaque oscillation est légèrement décalé
angulairement par
rapport au précédent.
Le système de transmission peut comporter un pignon de rotation servant à
l'entraînement en rotation de la broche porte outil, disposé dans le bâti avec
une possibilité
de déplacement axial relativement au bâti. Le premier roulement peut être en
appui direct
sur ce pignon de rotation.
Le pignon de rotation peut être situé entre le pignon d'avance et le premier
roulement, mais le pignon d'avance peut en variante être situé entre le pignon
de rotation et
le premier roulement.
Le dispositif peut comporter un deuxième roulement s'interposant entre le
pignon d'avance et le pignon de rotation.
Le pignon d'avance peut tourner à l'intérieur d'un troisième roulement,
notamment un roulement à aiguilles. Un roulement à aiguilles peut tolérer plus
facilement
le déplacement axial du pignon d'avance qu'un roulement à billes.
L'organe de rappel élastique peut comporter une rondelle formant ressort,
traversée par la broche porte outil. La rondelle formant ressort peut reposer
sur une bague
radialernent intérieure d'un quatrième roulement traversé par la broche porte
outil, par
exemple un roulement à double rangée de billes, qui peut accroître la
précision du guidage.
L'invention a encore pour objet un procédé d'usinage axial dans lequel on
utilise un dispositif tel que défini plus haut.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description
détaillée
qui va suivre, d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre de celle-ci, et à
l'examen du
dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de dispositif
selon l'art antérieur,
-
la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 d'un exemple de dispositif de
perçage réalisé conformément à l'invention,
- la figure 3 est une vue similaire à la figure 2, d'une variante de
réalisation,
- la figure 4 représente en perspective un exemple de surface de roulement
ondulée,
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- la figure 5 représente le schéma cinématique d'un exemple de dispositif
réalisé conformément à l'invention, et
- les figures 6 et 7 sont des schémas cinématiques de variantes de réalisation
de dispositifs selon l'invention.
Le dispositif 1 d'usinage, notamment de perçage, conforme à l'invention
représenté à la figure 2 comporte un bâti 2, qui loge partiellement une broche
porte outil 3
et un système 5 d'entraînement et d'avance automatique de cette broche 3. Ce
système 5 est
accouplé à un moteur d'entraînement 112 représenté aux figures 5 à 7, qui est
par exemple
un moteur pneumatique.
La broche 3 entraîne un foret ou une fraise non représenté, de façon à
réaliser
un usinage axial, par exemple un perçage.
Le système 5 est par exemple similaire à celui décrit dans la demande
FR 2 881 366, et comporte un pignon de rotation 10 qui tourne avec la broche 3
tout en
autorisant un déplacement axial relativement à celle-ci, la liaison entre le
pignon de
rotation 10 et la broche 3 étant par exemple une liaison glissière, la broche
3 pouvant
comporter des cannelures dans lesquelles s'engagent des nervures
correspondantes du
pignon de rotation 10.
Le pignon de rotation 10 est entraîné en rotation autour d'un axe X par une
roue d'entraînement 11 accouplée au moteur.
Le système 5 comporte également un pignon d'avance 15 qui est mobile
axialement à l'intérieur du bâti 2 selon l'axe X et comporte un filetage 16
vissé sur une
portion filetée de la broche 3, de telle sorte qu'une rotation du pignon
d'avance 15
relativement à la broche 3 provoque un déplacement axial de celle-ci. L'avance
est par ,
exemple de 1/10 mm environ par tour de la broche. La vitesse de rotation de la
broche va
par exemple de 300 à 5000 tours/min.
Le pignon d'avance 15 peut tourner relativement au pignon de rotation 10, un
roulement 17 comportant des organes de roulement tels que des billes étant
interposé
axialernent entre les deux, comme illustré.
Le pignon d'avance 15 peut tourner à l'intérieur d'un roulement de guidage
inférieur 18 qui assure un guidage en rotation de celui-ci, tout en autorisant
une certaine
course axiale du pignon d'avance 15, relativement au bâti 2, vers le haut.
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Un organe de rappel élastique 40, tel qu'une rondelle formant ressort, est
interposé entre le pignon d'avance 15 et le roulement 18. La rondelle 40
formant ressort
prend axialement appui sur la bague intérieure du roulement 18.
Le pignon de rotation 10 est mobile à l'intérieur du bâti 2, selon l'axe X, et
se
trouve sollicité, par l'intermédiaire du pignon d'avance 15 et du roulement
17, en
déplacement vers le haut par la rondelle 40 formant ressort.
Un roulement 50 s'interpose axialement entre le bâti 2 et le pignon de
rotation
10, du côté opposé au pignon d'avance 15. Ainsi, le pignon de rotation 10 est
sollicité en
appui contre le roulement 50 par la rondelle formant ressort 40.
Le roulement 50 présente des organes de roulement 51 qui sont dans l'exemple
illustré des rouleaux insérés dans une cage 54, qui tournent entre une bague
d'appui
supérieure lisse 52 reposant contre un roulement 55 de guidage supérieur du
pignon de
rotation 10 et une bague inférieure ondulée 53 définissant une surface de
roulement ondulée,
reposant sur un épaulement 88 du pignon de rotation 10. Un exemple de surface
de
roulement ondulée 102 avec une composante axiale est représenté à la figure 4.
Sur cette
figure sont représentés le rayon R1 de la bague et l'angle 0, utilisés dans le
calcul du nombre
de périodes vibratoires par révolution de la broche, détaillé précédemment.
L'axe de rotation de chaque roulement 51 peut être perpendiculaire à l'axe X,
comme illustré.
Le roulement supérieur 55 est par exemple un roulement à billes, mais pourrait
être autre.
La surface de roulement ondulée provoque un déplacement axial des rouleaux 51
lors de leur rotation. L'amplitude extrême de ce déplacement est par exemple
comprise entre
2 et 4/10 mm. Un tel mouvement axial est transmis, par l'intermédiaire du
pignon de rotation
10, au pignon d'avance 15 et ainsi à la broche 3 porte outil.
La surface de roulement ondulée comporte, de préférence, un nombre impair
d'ondulations par révolution, de manière à obtenir une fréquence vibratoire
qui est un
multiple non entier, notamment non rationnel, de la fréquence de rotation.
Le système 5 comporte une roue 60 d'entraînement du pignon d'avance 15, qui
est accouplée par crabotage avec la roue 11 et qui peut être désaccouplée
automatiquement
de la roue d'entraînement 11, en fin de course vers le bas de la broche 3, de
façon à permettre
une remontée de celle-ci.
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La roue 60 entraîne le pignon d'avance 15 à une vitesse de rotation légèrement
différente de celle du pignon de rotation 10, de façon à générer le mouvement
d'avance
recherché dans la direction d'avance A, pour la broche 3, de façon comme en
soi.
Au terme du mouvement d'avance de la broche 3, une butée 90 portée par la
broche 3 vient en appui contre la tranche d'extrémité du pignon de rotation 10
et amène la
roue d'entraînement 60 à s'éloigner de la roue d'entraînement 11.
La roue d'entraînement 60 entraîne vers le bas un piston 70 qui porte un joint
d'étanchéité 92. Ce dernier isole, lorsque la roue d'entraînement 60 est
accouplée à la roue
d'entraînement 11, la chambre 72 située au-dessus du piston d'une arrivée
d'air comprimé
94. Lorsque le piston 70 est déplacé vers le bas, le joint 92 cesse de
s'appliquer de façon
étanche et la pression régnant au-dessus de la chambre 72 entraîne le piston
70 vers le bas.
Les roues d'entraînement 11 et 60 sont alors complètement désaccouplées et la
broche peut
opérer= un mouvement de remontée. Un clapet 96 est actionné par la broche 3 au
terme de
sa remontée, ce qui ramène à la pression atmosphérique la chambre 72 et permet
la
remontée du piston 70 sous l'effet d'un ressort de rappel 73. Les roues
d'entraînement 11 et
60 peuvent à nouveau s'accoupler.
Le système de transmission peut être similaire à celui décrit dans la demande
FR 2 881 366.
La variante de réalisation illustrée à la figure 3 diffère de celle de la
figure 2
notamment par le remplacement du roulement inférieur 18 par un roulement à
aiguilles 98,
qui admet plus facilement un mouvement axial entre les surfaces de roulement.
La broche
3 est guidée inférieurement par un roulement 99 à double rangée de billes.
Un roulement à aiguilles 100 est également utilisé en remplacement du
roulement supérieur à 55, pour guider en rotation le pignon de rotation 10.
La broche 3 est guidée, supérieurement en rotation par un roulement à billes
101. La rondelle 40 formant ressort repose sur la bague intérieure du
roulement 99 à
double rangée de billes.
La figure 5 représente le schéma cinématique d'un exemple de dispositif
réalisé
selon l'invention.
Ce schéma représente les liaisons entre les principaux éléments du dispositif
1
décrits précédemment. Le moteur 112 auquel le système de transmission 5 est
accouplé par
la roue d'entraînement 11 est également représenté.
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Dans les variantes des figures 6 et 7, le système 5 est intégré à une
configuration où les pignons d'avance et de transmission sont inversés.
L'emplacement du
moyen de rappel 40 diffère entre les réalisations des figures 6 et 7.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés. On peut
notamment réaliser autrement le système de transmission et d'avance 5.
L'expression "comportant un" doit se comprendre comme étant synonyme de
"comportant au moins un".
